REDES WIRELESSIEEE 802.11

OLGA GARCÍA GALENDE

E. U. Ingeniería Técnica Informática de Oviedo

REDES INALÁMBRICAS

1. ¿Qué es una WLAN?

Wireless Local Area Network (Redes de Area Local Inalámbricas)

Utiliza ondas electromagnéticas para conectar equipos en red.

Ventajas:

Movilidad y flexibilidad.

Facilidad de instalación.

Escalabilidad, dinamismo en los cambios de topología.

Llegan allí donde no puede llegar el cable.

Inconvenientes:

Elevado coste inicial.

Bajas velocidades de transmisión.

¿Seguridad?

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2. Orígenes y Evolución

1979: Experimento de ingenieros de IBM en Suiza, con enlaces de infrarrojos para crear una red en una fábrica.

1985: La FCC (Federal Communications Comission) asigna las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 902-928 MHz, 2’400-2,4825 GHz y 5,725-5,850 GHz.

1985-1990: Fase de desarrollo.

1991: WLAN ya supera tasas de transferencia de 1Mbps necesaria para que la IEEE 802 lo considere una LAN.

1992-1998: 802.11 y 802.11a.

1999: Aparece la 3º especificación 802.11b que ya alcanza tasas de 11Mbps. Gran auge de las redes inalámbricas

2003: El estándar europeo HIPERLAN/2 de ETSI ve la luz. Se obtienen tasas de 54 Mbps en la banda de los 5 GHz.

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3. Ámbitos de aplicación

Edificios históricos.

Lugares donde, por la orografía del terreno, no puede cablearse.

Entornos cambiantes.

Usuarios en movimiento (hospitales, fábricas, oficinas…).

Grupos de trabajo eventuales.

Uso doméstico.

Unión de varias redes locales cableadas.

Ambientes industriales con severas condiciones medioambientales.

Y un largo, largo etcétera…

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4. Implantación: Topología y configuraciones

Ad – Hoc

También llamada “peer to peer”.

Es la configuración más sencilla.

Los únicos elementos necesarios son los terminales móviles equipados con el correspondiente adaptador para redes inalámbricas

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4. Implantación: Topología y configuraciones

Infraestructura

También conocidas como “configuracion con punto de acceso”.

Unión de una red cableada con terminales móviles a través de un dispositivo llamado punto de acceso.

Esta topología utiliza el concepto de celda (área en el que una señal radioeléctrica es efectiva).

Es posible utilizar varios puntos de acceso. Capacidad de roaming.

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4. Implantación: Topología y configuraciones

Otras configuraciones:

Interconexión de redes: Unión de redes cableadas mediante el uso de antenas direccionales.

Puntos de extensión: Unen puntos de acceso, pero no están “enganchados” a la red cableada.

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5. Capa Física

2 tipos de medios para la instalación de redes inalámbricas:

Ondas de radiofrecuencia.

Señales ópticas de infrarrojos.

IEEE 802.11 define tres posibles esquemas para la capa física :

DSSS: Espectro expandido por secuencia directa.

FHSS: Espectro expandido por salto de frecuencia.

Luz infrarroja en banda base (sin modular).

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Radiofrecuencia

Utiliza las bandas de 2,4 GHz y de 5,7 GHz

No tienen problemas para propagarse a través de obstáculos.

Espectro expandido por secuencia directa (DSSS):

Genera un patrón de bits pseudoaleatorio (señal de chip) para cada uno de los bits que componen la señal. Cuanto mayor sea el patrón más resistentes son los datos a posibles interferencias. (de 10 a 100 bits).

A esta secuencia se la conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión).

Secuencia balanceada: aprox. la misma cantidad de 1 y 0.

Todos los miembros conocen la secuencia utilizada.

Esta secuencia proporciona una ganancia de procesamiento, (para 10 bits se obtiene una G=10dB; para 100 bits, G=20dB…)

La ganancia ha de ser mayor o igual que SNR (factor señal/ruido).

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Modulación para DSSS:

En la banda de 2,4 GHz se utilizan variaciones en fase de una sola portadora de amplitud constante:

DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying).

DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying).

En la banda de 5,7 GHz se utilizan variaciones de frecuencia de múltiples portadoras:

OFDM (Ortogonal Frecuency Division Multiplexing).

Codificación

de

Barker

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División de los canalesEn EEUU y Europa, DSSS utiliza un rango de frecuencias de 2,400

GHz – 2,4835 GHz.

Esto proporciona un ancho de banda de 83,5 MHz.

Se subdivide en canales de 5 MHz cada uno, lo que da un total de 14 canales independientes.

Cada país está autorizado a utilizar un subconjunto de estos canales.

España usa los canales 10 y 11 correspondientes a frecuencias centrales de 2,457 GHz y 2,462 GHz respectivamente.

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Espectro expandido por salto de frecuencia (FHSS):

La banda de frecuencias asignadas se divide en varias sub-bandas de menor frecuencia, llamadas canales, con el mismo ancho de banda.

Cada tramo de información se transmitirá en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo (llamado dwell, menor de 400ms), saltando a continuación a otra frecuencia diferente.

El patrón de uso del canal es pseudoaleatorio. La secuencia de salto se almacena en tablas que conocen tanto emisor como receptor.

REDES INALÁMBRICASModulación para FHSS:En la banda de 2,4 GHz se utilizan variaciones en frecuencia:

FSK (Frequency Shift Keying)

Rango de frecuencias centrales empleadas en FHSS

División de los canalesEn la banda de 2,4 Ghz se organiza en 79 canales con un

ancho de banda de 1 MHz cada uno

Nº saltos/sg es regulado por cada país (EEUU: 2,5 saltos/sg).

Requisitos Españoles (GHz)

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InfrarrojosUtilizadas en entornos muy localizados, un solo área o habitación.

Modulaciones de 16 y 4 ppm a 1 y 2 Mbps (se ha llegado a 100 Mbps)

Longitudes de onda de 850 a 950 nm.

Frecuencias de emisión entre 3,10.1014 y 3,52.1014 Hz.

Comportamiento similar al de la luz (cercanía en el rango de frec.)

Inconvenientes:

No atraviesa objetos sólidos, por ello tiene poca capacidad de difusión.

Muy sensible a objetos móviles, a la luz solar directa y a lámparas.

Las restricciones de potencia de emisión limitan la cobertura a decenas de metros

Se produce dispersión y rebotes, que provocan interferencias y limitan la velocidad de transmisión.

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Ventajas:

Es muy seguro contra receptores indeseados.

Debido a su alta frecuencia, ofrece una fuerte resistencia a interferencias electromagnéticas artificiales.

Utiliza componentes muy económicos y de bajo consumo de energía.

Conclusión:

Son puramente domésticas, y para enlaces punto a punto.

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Funcionamiento:Cada terminal dispone de un emisor (LED) y un receptor

(fotodiodo PIN).

Los pulsos recibidos pasan a la UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), que los amplifica, y decodifica.

Para la CPU del terminal este proceso es transparente.

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6. Capa MAC

6.1 Mecanismos de Acceso

Protocolos con arbitraje:

FDMA: (Frequency Division Multiple Access).

TDMA: (Time Division Multiple Access).

Protocolos de contienda:

CDMA: (Code division Multiple Access).

CSMA/CD: (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detetection).

CSMA/CA: (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).

Aunque también se han diseñado protocolos que son una mezcla de ambos.

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Protocolos con arbitraje:

1. TDMA: Acceso Múltiple por División de TiempoCada transmisor tiene un intervalo de tiempo (ranura) específico.

Una vez alcanzada la ranura de tiempo, el transmisor transmite por el ancho de banda completo durante el periodo fijo de la ranura.

Normalmente se usa en redes Infraestructura con 1 punto de acceso.

Las estaciones móviles solicitan al punto de acceso una ranura libre para transmitir.

El punto de acceso asigna las ranuras a las estaciones móviles mediante transmisiones por difusión (a todos los terminales), con la dirección de la estación a la que se concede la ranura.

Este sistema también es conocido como modo Aloha ranurado con asignación por demanda.

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Protocolos con arbitraje:

1. FDMA: Acceso Múltiple por División de FrecuenciasEl ancho de banda de frecuencias total asignado se divide en varias sub-bandas de frecuencia (canales).

Una vez asignado un canal de frecuencia específico a una estación, ésta lo utiliza durante todo el período de transmisión de una trama.

Al igual que TDMA, se usa en redes Infraestructura con 1 punto acc.

Los canales de frecuencia también se asignan por demanda, mediante un canal de señalización independiente.

Los puntos de acceso que usan FDMA son más complejos (y caros), que los de sistema TDMA.

Por esta razón son estos últimos los que se implementan.

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Protocolos de contienda:

1. CDMA: Acceso Múltiple por División de CódigoSe aplica específicamente a los sistemas de RF de espectro expandido, basados en salto de frecuencia (FHSS).

Todos los nodos tienen una secuencia pseudoaleatoria de saltos de frecuencia asignada, y conocerán las secuencias del resto de nodos.

Para comunicarse con otro nodo, el emisor solo tiene que utilizar la secuencia del destinatario.

La división de código se corresponde con la división de frecuencia.

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Protocolos de contienda:

2. CSMA/CD: Acceso Múltiple por Detección de Portadora / Detección de Colisiones.

Utiliza la variante peine.

El nodo que quiere transmitir añade a la cabecera de la trama una secuencia de bits llamada peine.

A continuación, el nodo realiza la operación normal de detección de portadora. Si el medio está libre, transmite el peine.

Para cada bit 1 de la secuencia de peine, el nodo transmite una señal.

Para cada bit 0, el nodo escucha el medio. Si detecta otras transmisiones, deja de competir por el canal.

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Protocolos de contienda:

3. CSMA/CA: Acceso Múltiple por Detección de Portadora / Evitación de Colisiones.

El nodo espera un tiempo aleatorio de tiempo después de que el medio queda inactivo.

Si el medio sigue inactivo pasado ese tiempo, el nodo transmite.

El nodo con tiempo de espera más corto obtendrá el acceso primero.

No hay garantía de que el nodo destino reciba la información delnodo emisor cuando se utiliza RF.

Para solventar esto aparece el protocolo de MAC inalámbrico de fundamento distribuído (DFW MAC).

Consiste en enviar un saludo adicional, del que se obtendrá una respuesta positiva en caso de que el nodo destino esté recibiendo.

Este tipo de protocolo se usa tanto en Ad-Hoc como Infraestructura.

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6.2 SeguridadLos puntos de acceso se pueden configurar con un identificador del

conjunto de servicios (SSID).

Los clientes deben conocer ese SSID para asociarlo al punto de acceso y poder transmitir.

¡Insuficiente! Se implementa sistema de autenticación y cifrado WEP(Wired Equivalent Privacy), basado en el algoritmo RC4.

A cada estación de la red se le asigna una clave común, que desordena los datos y se mezcla entre la información antes de transmitir

WEP utiliza claves de 40,64 o 128 bits.

Si una estación recibe datos que no están desordenados con la clave correcta, los descartará.

WEP hace que el enlace LAN inalámbrico sea tan seguro como un enlace con cable.

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ESTÁNDAR RANGOFREC

MAX.TASATRANSF.

CAPAFISICA

CAPAMAC

802.11 2.4 GHz 2 Mbps DSSS/FHSS CSMA/CA

802.11a 5 GHz 54 Mbps OFDM CSMA/CA

802.11b 2.4 GHz 11Mbps DSSS CSMA/CA

802.11g 2.4 GHz 54 Mbps DSSS CSMA/CA

IR 850-950nm IR DIFUSO

HIPERLAN 2.4 GHz 10-20Mbps PIC/PMA CSMA/CA

HIPERLAN/2 5 GHz 54 Mbps OFDM DDT

7. Normativa

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8. Aspectos importantes en WLANCobertura.

Rendimiento.

Integridad y fiabilidad.

Compatibilidad con las redes existentes.

Interoperatividad e los dispositivos inalámbricos dentro de la red.

Interferencia y coexistencia.

Licencias.

Simplicidad y facilidad de uso.

Seguridad en la comunicación.

Coste.

Escalabilidad.

Alimentación en los dispositivos móviles.

Seguridad laboral.

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9. Hardware

9.1 Tarjetas (clientes)

9.2 Puntos de Acceso

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9.3 Antenas

Panel (parche)

Omni

Yagi

Parabólica

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9.4 Accesorios

9.5 Puentes (Bridges)

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9.6 Bricolaje

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10. Software

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11. Aplicaciones

Enlaces entre redes locales próximas

Redes Inalámbricas en la misma área física

Enlace de áreas físicas independientes mediante Puntos de Acceso

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CONCLUSIÓN:

Tecnología eminentemente doméstica.

No pretenden sustituir a las redes cableadas.

En plena fase de desarrollo.